Fecha de Presentación Marzo 2011 Componentes del tribunal: Presidente: Celeste Campos Secretario: Ricardo Romeral Vocal: Marcelino Lázaro Interconexión de redes de sensores inalámbricos 802.15.4 en localizaciones remotas Autor: Rodrigo Muñoz Castejón Tutor: Ángel Cuevas Rumín Co-Tutor: Manuel Ureña
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Fecha de Presentación
Marzo 2011
Componentes del tribunal:
Presidente: Celeste Campos
Secretario: Ricardo Romeral
Vocal: Marcelino Lázaro
Interconexión de redes de sensores inalámbricos 802.15.4
en localizaciones remotas
Autor: Rodrigo Muñoz Castejón
Tutor: Ángel Cuevas Rumín
Co-Tutor: Manuel Ureña
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remotas
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Agradecimientos:
En primer lugar me gustaría dar las gracias a Ángel por
haberme dirigido este proyecto de fin de carrera. Por su confianza,
disponibilidad y apoyo durante todo el proyecto, sería un placer poder
coincidir en algún proyecto común en el futuro.
También me gustaría agradecer a Manolo las dudas resueltas
en los momentos claves del proyecto.
A todos mis compañeros y amigos de la universidad, porque sin
todos vosotros, seguro que no estaba escribiendo estas líneas.
A mis compañeros de trabajo que me han ayudado a dar ese
último empujón al proyecto.
A mis amigos de siempre que me han animado a terminar la
carrera, y que siempre están cuando los necesito.
Y finalmente, no puedo dejar de agradecer la comprensión y el
apoyo de mis padres, hermanos y el resto de familiares, puesto que
ellos han sido los que más me han tenido que aguantar a lo largo de
toda la carrera y durante la elaboración de este proyecto.
A todos muchas gracias.
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Resumen del proyecto
En este proyecto se propone una solución eficaz para comunicar
redes de sensores inalámbricas 802.15.4, situadas en localizaciones
geográficas remotas, utilizando redes TCP/IP.
Presentando así la posibilidad de comunicar redes de sensores
muy distantes de forma completamente transparente para los
dispositivos finales.
El desarrollo del proyecto incluye el estudio de las
características y prestaciones de las tecnologías para este tipo de
redes inalámbricas. Argumentando el uso de las tecnologías
utilizadas.
En el proyecto se ha incluido la implementación de un escenario
práctico, que demuestra la comunicación de los dispositivos de forma
remota. Además este documento incluye un tutorial que describe la
puesta en marcha del escenario de ejemplo.
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2.3.1 Tipos de Sensores
Hoy en día existe una gran variedad de sensores, tan diversos como
prácticamente todos los fenómenos físicos que se deseen medir.
Todos ellos ofrecen unas grandes posibilidades a las redes de
sensores inalámbricas, extendiendo cada vez más el abanico de
escenarios potenciales. A continuación mostramos una clasificación
de los sensores más utilizados en la actualidad. [1]
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Detectores de ultrasonidos
•Los detectores de ultrasonidos resuelven los problemas de detección de objetos de prácticamente cualquier material, normalmente se usan para control de presencia/ausencia, distancia o rastreo.
Interruptores manuales
•Estos son los sensores más básicos, incluye pulsadores, llaves, selectores rotativos y conmutadores de enclavamiento.
Productos infrarrojos
•Los componentes optoelectrónicos son sensores fiables y económicos. Se incluyen diodos emisores de infrarrojos (IREDs), sensores y montajes.
Sensores de caudal de aire
•Los sensores de caudal de aire contienen una estructura de película fina aislada térmicamente, que contiene elementos sensibles de temperatura y calor.
Sensores de corriente
•Los sensores de corriente monitorizan corriente continua o alterna, pueden ser utilizados como un elemento de respuesta para controlar un motor o regular la cantidad de trabajo que realiza una máquina.
Sensores de efecto Hall
•Son semiconductores y por su costo no están muy difundidos pero en codificadores ("encoders") de servomecanismos se emplean mucho.
Sensores de temperatura
•Estos sensores consisten en una fina película de resistencia variable con la temperatura.
Sensores de humedad
•Los sensores de humedad relativa/temperatura y humedad relativa contienen un elemento sensible capacitivo en base de polímeros que interacciona con electrodos de platino.
Sensores de posición de estado sólido
•Los sensores de posición de estado sólido, detectores de proximidad de metales y de corriente.
Sensores de turbidez
•Los sensores de turbidez aportan una información rápida y práctica de la cantidad relativa de sólidos suspendidos en el agua u otros líquidos.
Sensores magnéticos
•Entre las aplicaciones se incluyen brújulas, control remoto de vehículos, detección de vehículos, realidad virtual, sensores de posición, sistemas de seguridad e instrumentación médica.
Interruptores final de carrera
•El microswitch es un conmutador de 2 posiciones con retorno a la posición de reposo, básicamente diferencian dos estados, muy utilizados en detectores de nivel de fluidos .
Sensores de presión y fuerza
•Las aplicaciones afines a estos productos incluyen instrumentos para aviación, laboratorios, controles de quemadores y calderas, comprobación de motores, tratamiento de aguas residuales y sistemas de frenado.
Sensores de químicos
•Aplicables a todo tipo de sondas, como por ejemplo PH, O2, Salinidad…
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2.3.2 Aplicaciones y ejemplos de redes de sensores inalámbricas (WSN)
Las nuevas tecnologías están abriendo las puertas cada vez más a las
WSNs, capaces de procesar enormes cantidades de datos. Los
sensores son cada día más habituales en nuestro entorno, y todavía
podrían dar mucho más de sí. Así lo cree toda una industria
tecnológica que está detrás de ellos, siendo cada vez más las
empresas y los equipos de investigadores que trabajan en el
desarrollo de este tipo de dispositivos.
A continuación se muestran algunos de los ejemplos en aplicaciones
desarrolladas a día de hoy [2].
2.3.2.1 Agricultura y ganadería
Combinando sensores como humedad,
temperatura y luminosidad se pueden
detectar riesgo de heladas, posibles
enfermedades de las plantas o la
necesidad de riego según el nivel de
humedad de la tierra, entre otras.
Es posible monitorizar la temperatura a la
que se encuentran las crías para
mantenerla en los niveles adecuados o
incluso controlar el nivel de estrés de los
animales monitorizando la agitación del
rebaño con sensores de vibración y
movimiento.
Ilustración 4
Ilustración 5
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2.3.2.2 Medio Ambiente
A través de una red de sensores
inalámbrica se pueden monitorizar especies
en extinción, o detectar y prevenir
incendios forestales, además en ciudades
se monitoriza los niveles
de contaminación de la atmósfera y
recogen datos sobre el clima, con el fin de
mantener un desarrollo sostenible.
2.3.2.3 Salud
Hospitales, centros de Salud e incluso entornos
cercanos a pacientes con limitaciones o
enfermedades disponen cada vez mas de redes
de sensores que desarrollan mediciones
biométricas.
Incluso centros de alto rendimiento utilizan
redes de sensores inalámbricos para monitorizar
deportistas en el terreno de juego, de esta
forma, entrenadores y médicos pueden evaluar
de una mejor forma las respuestas de los
deportistas.
2.3.2.4 Procesos Industriales
En este campo las aplicaciones están muy
extendidas y son muy variadas, el control
de las emisiones y escapes de gases es un
aspecto que preocupa tanto empresarial
como ecológicamente para el desarrollo
sostenible.
Aparte de esto las redes de sensores
también sirven para mejorar los procesos
de fabricación o las condiciones de
mantenimiento.
Ilustración 6
Ilustración 7
Ilustración 8
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2.3.2.5 Seguridad y Emergencias
Las aplicaciones de las redes de sensores
en este campo son innumerables, permiten
crear entornos más seguros y gestionar
alarmas.
También son muy utilizadas para la
prevención, ayuda y gestión en situaciones
de emergencia o desastres naturales.
2.3.2.6 Otras aplicaciones
Por poner algunos ejemplos más podemos mencionar redes de
sensores en vehículos (coches, aviones, trenes…), también se están
integrando redes en grandes ciudades para controlar el tráfico,
logística de transporte, marketing, lectura de contadores, etc.
Ilustración 9
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2.4 Redes de sensores y actuadores inalámbricas (WSAN)
En las Redes Inalámbricas de Sensores y Actuadores (WSAN,
Wireless Sensor and Actor Networks) además de nodos sensores
existen nodos actuadores.
Los sensores van reuniendo información sobre el medio físico,
mientras que los actuadores toman decisiones y ejecutan las acciones
apropiadas sobre el entorno.
Diagrama 1: Correspondencia de las redes de sensores con el medio físico.
Este tipo de redes tienen algunas características que no son propias
de las WSN:
Mientras que los sensores son dispositivos pequeños, baratos,
con capacidad de comunicación y procesamiento limitados; los
actuadores habitualmente consumen más energía, y son mas
caros.
La capacidad de reacción de los actuadores ante un evento en
tiempo real es una cuestión importante. Es necesario introducir
mecanismos de coordinación entre los sensores y los
actuadores.
El número de sensores suele ser muy superior al número de
actuadores, aunque por supuesto depende del escenario
concreto.
Es precisamente en este tipo de redes donde se motiva este
proyecto, tomando aun mas sentido, pues presenta la posibilidad de
operar de forma remota desde escenarios distantes y diversos.
Medio Físico
Sensor
WSAN
Actuador
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3 Motivación y Objetivos
3.1 Enfoque
En ocasiones existe la necesidad de comunicar dos sensores
completamente independientes, puede ser el caso por ejemplo, de un
sensor que necesite transmitir cierta información a un actuador el
cual no pertenece a su propia red.
Esto no es posible cuando la separación de los dispositivos excede los
márgenes de cobertura de las tecnologías inalámbricas usadas en las
redes de sensores, por lo tanto, necesitamos una solución que nos
permita esta comunicación. Con este proyecto proponemos una
solución sencilla, que resulta completamente transparente a los
nodos finales, delegando toda la complejidad del enrutamiento a
dispositivos mucho más potentes.
De esta forma además podría establecerse una organización
jerárquica en árbol de las subredes, donde los nodos o dispositivos
finales que forman las hojas del árbol pueden estar miles de
kilómetros distantes.
La siguiente ilustracion muestra un ejemplo donde 3 redes de
sensores A-B-C, situadas en localizaciones geotraficas remotas,
etablecen una comunicación entre el dispositivo A.2 y el B.1.
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Diagrama 2: Ejemplo explicativo de comunicación
3.2 Propuesta
La propuesta de este proyecto consiste técnicamente, en establecer
una comunicación entre WSNs remotas. Para ello planteamos una
nueva cabecera UC3M con la información de direccionamiento
necesaria para encaminar las tramas generadas por los dispositivos.
Conjuntamente es necesario integrar e implementar equipos
conectados a internet, capaces de procesar las tramas procedentes
de las WSNs.
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3.3 Beneficios de la solución propuesta
Nuestra solución representa la base para nuevas aplicaciones,
desplegando una abanico de posibilidades para servicios de WSN o
WSAN.
En primer lugar, a nivel de prestaciones, podemos aumentar
prácticamente ilimitadamente la red de sensores/actuadores
anidando diferentes subredes, de forma transparente para los
dispositivos finales. Este punto es una de las principales motivaciones
del proyecto.
A nivel de funcionalidad las bondades de la solución propuesta se
basan en primer lugar en la interoperatibilidad entre redes muy
distantes ampliando su rango de acción. En segundo lugar, el
despliegue necesario para la interconexión presenta un escenario
idóneo para el control sincronizado de las subredes. En último lugar,
se amplía el concepto del simple sensor/actuador, de forma que se
pueden desarrollar aplicaciones más complejas sin necesidad de
protocolos adicionales, ya que para la interconexión se utiliza la
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• La intercomunicación de dos o mas subredes con lamisma funcionalidad, nos ofrece la posibilidad deampliar geográficamente la superficie de acción.
• Además , se pueden cubrir grandes areas de formaselectiva, sin necesidad de puntos de interconexion orepetidores de señal, situando subredes en puntosestrategicos.
• La interconexión de este tipo de redes de formajerárquica, permite acciones simultaneas y en cadenade dispositivos, por ejemplo, el valor de un sensorpuede suponer la acción de varios actuadoressimultáneamente, o de forma secuencial,sincronizando su funcionamiento de manera sencilla.
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4 Estado del arte
Llegados a este punto, debemos plantear las distintas tecnologías
inalámbricas que podrían ser utilizadas en nuestra WSAN, el objetivo
es escoger la más adecuada para cumplir las expectativas del
proyecto, el cual reúne las siguientes pretensiones principales:
Consumo energético En toda WSN la energía pasa a ser un punto
crucial ya que sus dispositivos están alimentados por baterías.
Limitaciones hardware Se cuenta con una capacidad de proceso
limitada en cada dispositivo, lo cual hace indispensable que el
hardware sea lo más sencillo posible, así como su transceptor radio.
Topología Dinámica En una red de sensores, la topología siempre
es cambiante y éstos tienen que adaptarse para poder comunicar
nuevos datos adquiridos.
Además de estas necesidades principales, debemos valorar algunas
otras como son el tiempo de conexión de nuevos dispositivos, el
alcance efectivo de las transmisiones, el número de dispositivos que
forman la red.
A continuación describiremos muy brevemente algunas de las
tecnologías inalámbricas que podrían usarse en las redes de
sensores, y describiremos en profundidad 802.15.4 que es la
tecnología que vamos a utilizar, de forma que pueda apreciarse la
diferencia entre estas para poder valorar la tecnología utilizada en el
proyecto.
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4.1 WiFi 802.11
Es una marca de la Wi-Fi Alliance, la organización comercial que
adopta, prueba y certifica que los equipos cumplen los estándares
802.11.
La norma IEEE 802.11 esta enormemente extendida mundialmente,
periódicamente se realizan reajustes en el protocolo que aumentan el
ancho de banda, optimizan las conexiones y en general aumentan las
prestaciones.
Inicialmente grandes compañías de desarrollo e implementación de
WSN como CrossBow utilizaron esta tecnología en sus primeros
dispositivos, pero fueron remplazados rápidamente por nuevas
tecnologías más orientadas a mecanismos de bajo consumo.
Los dispositivos de este tipo de red normalmente están conectados a
la red eléctrica, o requieren de carga de sus baterías cada poco
tiempo, esto es debido a su consumo energético, tanto en
transmisión/recepción como en du proceso de funcionamiento.
El nuevo mercado de los “smartphones” y “Tablet Pc”, dispositivos
portables y con capacidad energética limitada, a supuesto que tanto
las tarjetas de red, como las últimas versiones de 802.11, estén
centrándose en reducir el consumo energético en los dispositivos y
los tiempos de conexión a la red, aun así estas mejoras no son
suficientes cuando comparamos con otras tecnologías tal y como
veremos más adelante.
Ilustración 10: Dispositivos con comunicación WiFi
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En conclusión, las redes WiFi ofrecen unas prestaciones que
podríamos considerar de alto nivel, por lo que este tipo de redes
inalámbricas es utilizado básicamente en la conexión entre
ordenadores, o incluso periféricos que requieran grandes anchos de
banda como podría ser una cámara IP o algunos Smartphone.
4.2 Bluetooth
Bluetooth es el nombre comercial de la especificación industrial IEEE
802.15.1, que define un estándar global de comunicación inalámbrica
que posibilita la transmisión de voz y datos.
La especificación de Bluetooth define un canal de comunicación
mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda de los 2,4 GHz,
un dispositivo debe implementar alguno de los perfiles Bluetooth,
estos definen el uso del canal Bluetooth.
Fue diseñado desde sus orígenes para la transmisión de voz, por lo
que es estrictamente necesario vincular los dispositivos antes de su
comunicación.
Bluetooth es posiblemente el más extendido de de los protocolos de
este tipo, su evolución desde la versión v1.1 (1994) hasta la actual
v3.0 ha sido enorme, se ha aumentado la velocidad e incrementado
el rango de acción, además el salto a la versión v2.1 supuso una
disminución de consumo casi 5 veces menor que las versiones
anteriores. Si a todo esto le sumamos sus transceptores de bajo
coste parece el candidato perfecto para desarrollar redes del tipo
WSN.
La última versión de Bluetooth v3.0 se ha desarrollado especialmente
para trabajar en colaboración con WiFi, lo que facilitaría
enormemente la implementación del propósito de este proyecto, sin
embargo, aunque Bluetooth es altamente eficiente, su consumo
energético es mayor si lo comparamos con otros estándares
(802.15.4), este consumo proviene de algunos factores esenciales:
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1) Bluetooth ofrece una calidad de voz (Voice Quality - Enhanced
Voice Processing) especialmente orientado a teléfonos
móviles, esta capacidad requiere de un consumo de energía,
el cual pequeños dispositivos, como podría ser un sencillo
sensor de presencia no requieren.
2) Otros protocolos (802.15.4), especialmente orientado a redes
de sensores de muy bajo consumo, desarrollan sistemas en
los que los dispositivos permanecen en un estado de letargo la
mayor parte del tiempo, permitiendo un gran ahorro de
energía.
3) El tamaño de la trama Bluetooth es bastante grande y poco
flexible en comparación con otros protocoles, en este tipo de
redes, la transmisión y recepción de paquetes supone la
mayor parte del consumo energético.
En conclusión, Bluetooth ofrece unas prestaciones que lo hacen
candidato al desarrollo de WSN, el gran inconveniente de esta
tecnología sería evidente en redes de sensores que realizan tareas de
monitorización, donde es necesario desplegar los sensores por largos
periodos de tiempo.
4.3 Wireless USB
Este protocolo fue lanzado en sus inicios con gran expectación,
aunque no se ha extendido demasiado en el mercado, destaca por su
gran ancho de banda en distancias muy cortas que combina la
sencillez de uso de USB con la versatilidad de las redes inalámbricas,
puede lograr tasas de transmisión de hasta 480 Mbps en rangos de
tres metros, su uso está enfocado a mandos para juegos, cámaras de
video y fotos, discos duros externos, etc.
Obviamente las características de este servicio no se ajustan a una
WSN como las enfocadas en el proyecto.
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5 El Estándar 802.15.4
Es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al
medio de redes WLAN con tasas bajas de transmisión de datos,
desplegando redes con muy bajo consumo. La eficiencia energética
de este protocolo reside fundamentalmente en el uso de las tramas
“Beacon”, que permiten sincronizar los dispositivos de la red para que
puedan permanecer en modo ahorro de energía el mayor tiempo
posible, esto supone una gran ventaja para el desarrollo WSN que
realicen tanto tareas de monitorización como de control.
Este estándar sirve de base para otras especificaciones como ZigBee
o WirelessHART, que mencionaremos más adelante, cuyo propósito
es ofrecer una solución completa para este tipo de redes definiendo
los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no
cubre.
A continuación, se muestran un conjunto de tablas y diagramas que
comparan las características entre 802.15.4 y el resto de tecnologías
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Paso 6: Antes de ejecutar el servidor de direcciones debemos
rellenar su tabla en el código Java de la aplicación. Los valores por
defecto son los siguientes:
Además debemos indicar a los PCBridge donde está localizado el
servidor de direcciones. En el ejemplo siguiente está situado en la
propia maquina.
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10 Conclusiones
10.1 Evaluación de resultados
El estudio precedente al desarrollo de la propuesta nos planteo una
serie de metas las cuales han sido alcanzadas con éxito, tras la
implementación podemos considerar como adecuada la solución
establecida.
Los dispositivos de Jennic en los Endpoint mantienen una
comunicación totalmente transparente para ellos, lo que implica
poder simplificar al máximo sus procedimientos consiguiendo así las
premisas de las redes WSAN de bajo coste y reducir el consumo.
Los dispositivos de Jennic en los Coordinadores establecen una rápida
interconexión de los dispositivos con tiempos prácticamente
despreciables. La comunicación de los coordinadores con los PC es
100% fiable mediante el puerto serie utilizado.
Podemos reflejar también que en un escenario real, no todos los
dispositivos de una WSAN, por su naturaleza, necesitan tener
comunicación fuera de la red, la solución propuesta permite combinar
de forma transparente para los Endpoint dispositivos de los dos tipos.
La aplicación PCBridge.java, consigue eficientemente reenviar los
paquetes que se reciben por el puerto serie, la elección de una
aplicación Java multi-hilo resuelve sobradamente las necesidades de
intercomunicación del flujo de datos. Quizás como contrapartida
hubiera sido interesante desarrollar alguna interfaz gráfica de usuario
para la aplicación, de forma no solo podamos visualizar la línea de
comandos, otorgando a la aplicación de un mayor atractivo de cara al
usuario.
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10.2 Trabajos futuros
Este proyecto a cumplido el objetivo de intercomunicar redes de
sensores remotas, donde se han integrado 802.15.4 y TCP/IP.
Este proyecto abre posibilidades para plantear algunos trabajos
futuros.
En primer lugar sería interesante aplicar el proyecto a un
escenario de domótica como el planteado. Donde los
dispositivos se comuniquen desde diferentes zonas.
Los dispositivos de Jennic con los que se ha desarrollado el
ejemplo, disponen de sensores de luz, temperatura y humedad,
además, uno de los dispositivos incorpora una pantalla LCD.
Inicialmente se realizaron pruebas para comprobar el
funcionamiento de dichos sensores y de la pantalla LCD, no
continuamos trabajando en este campo pues no era el objetivo
que se planteaba en el proyecto.
En un futuro podría trabajarse sobre este escenario
intercambiando los datos recogidos por los sensores.
Utilizar el estándar de ZigBee sobre este mismo proyecto,
modificando tanto el código de los Endpoint como el del
coordinador, esto daría mayor robustez al sistema, además de
abrir la puerta a otros campos de investigación como puede ser
el multisalto.
Otro factor que no se ha trabajado en el proyecto es la cuestión
de seguridad, sería interesante investigar acerca de la
seguridad en 802.15.4. Al mismo tiempo se podría plantear
fácilmente el filtrado de las tramas por parte de los PC,
implementando tablas de permisos a los Endpoint, de esta
forma podríamos controlar por filtrado MAC la comunicación de
los dispositivos.
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11 Referencias
[0]A Proposal for ZigBee Clusters Interconnection
based on Zigbee Extension Devices Angel Cuevas, Ruben Cuevas, Manuel Urueña, and David Larrabeiti Departamento Ingenieriıa Telematica. Universidad Carlos III de Madrid
[1]SENSORES Y TRANSDUCTORES. http://www.profesormolina.com.ar/tecnologia/sens_transduct/index.htm
[2]Aplicaciones desarrolladas por la empresa española Libelium. Destacada internacionalmente por sus aplicaciones en WSN.
[3]Redes de Sensores Inalámbricos.
Las tecnologías de la información y de las comunicaciones en el ámbito de
la atención socio sanitario. Francisco Gómez Mula
Dpto. de Arquitectura y Tecnología de Computadores Universidad de Granada
[4]Redes de Sensores y Actuadores (WSAN) Manuel J. Buendía, Jose A. Vera, Fernando Losilla, Pedro José Meseguer
DSIE, Universidad Politécnica de Cartagena, Campus Muralla del Mar s/n., 30202, Cartagena, SPAIN
[5]IEEE Computer Society Part 15.4: Wireless Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area
Networks (LR-WPANs)
[5]802.15.4 y Zigbee Jordi Mayné Ingeniero de Aplicaciones ; Freescale semiconductor; Silica
[6]Zigbee: “Wireless Control That Simply Works” William C. Craig Program Manager Wireless Communications; ZMD America, Inc.
[7]ZigBee Alliance specification 27 Junio 2005
[8]Comunicaciones Inalámbricas Ivan Bernal PhD ; Escuela politécnica nacional de Quito
[9]AMX IBERIA http://amx.com.es/index.php
[10]JENNIC TECHNOLOGY FOR CHANGING WORLD http://www.jennic.com/